近日，中国科学院大连化学物理研究所化学反应动力学全国重点实验室团簇光谱与动力学研究组江凌研究员、李刚副研究员实验团队，联合清华大学李隽院士理论团队，利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验站，发现最小内嵌水笼由 17 个水分子组成，为揭开水的结构演化机制提供了新的科学依据。相关成果以 "Smallest Endohedral Water Cage Featuring a Nonclassic Polyhedron: Experimental Observation of (H₂O)₁₇" 为题发表于国际期刊《美国化学会志》（JACS）。
《科学》杂志将 "水的结构是什么" 列为本世纪 125 个最具挑战性的科学问题之一。液态水的微观构型难以捕捉，中性水团簇又因缺乏电荷而难以探测和质量选择，其精密光谱研究长期受限于尺寸选择的技术瓶颈。为此，江凌、李刚团队自主开发了基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，实现了气相质量选择中性团簇的高灵敏红外光谱探测与结构表征。基于该方法，团队此前已先后完成水二聚体至十一聚体的红外光谱研究，确定五个水分子构成的最小水滴立体结构，并揭示了水六聚体 "3+3"、水八聚体 "4+4"、水十聚体 "5+5" 等多种水环堆积模型，表明小尺寸水环的堆积模式在氢键网络构建中发挥重要作用。
"需要多少个水分子才能构成包封一个水分子的最小内嵌式笼状结构"，是与液态水、疏水溶剂化及冰成核密切相关的重要问题。近期，团队测定了中性水十七聚体团簇（(H₂O)₁₇）的红外光谱，结合李隽团队高精度量子化学计算，确定了内嵌水笼、熔接五角柱和熔接立方体三种最低能量结构模型，其中内嵌水笼结构占主导，证实十七个水分子构成最小的内嵌水分子笼，为理解液态水第一配位层的氢键网络结构提供了重要见解。值得注意的是，该笼状结构的氧原子骨架构成了包含 4 个四边形、4 个五边形和 2 个六边形面的非经典多面体，不同于柏拉图、阿基米德、约翰逊等传统多面体，为重新审视经典几何约束是否足以描述氢键物质所能形成的结构提供了新思路。
